电力作为现代文明的基础,从爱迪生用白炽灯点亮黑夜的壮举开始,电就注定成为人类生存的必要资源,然而为了存储和运输电能,人类一直在不懈地努力,甚至到21世纪的今天,科学家、工程师们仍然在努力探索中。为了能将电能从发电站送到千家万户,爱迪生和法拉第这两位科学界的大V,曾爆发过著名的交直流电之争,今天我就为大家科普一下电力传输的前世今生。
一、 低压直流输电阶段
爱迪生除了是一个伟大的发明家,也是一个成功的商人,在其电灯申请专利后,也构建了一个以电灯为核心的商业帝国,为了维护其商业利益,爱迪生一生都在极力推崇直流电,但是低压直流电在线路上的电力损耗和压降都非常大,离发电站越远的用户,实际获得的电压越低,这就使远距离传输电能几乎不可能,爱迪生无计可施,甚至建议一公里建一个发电厂。
1882年爱迪生电气照明公司在伦敦建立了第一座发电站,安装了三台110V巨汉号直流发电机,这种发电机仅能为1500只16W的白炽灯供电,完全无法满足大城市中大量用户使用。
电能的消耗主要原因是电线本身有电阻,根据欧姆定律可知:线路越长电阻越大,电流越大线路上损耗的功越大,为解决这个问题,最好的方法就是让电线没有电阻(超导),这显然在当时是做不到的,其次的方法是降低电流,因为电线电阻一定,要想降低电流,只能升高电压。
但是直流电并不能直接升压,其升压原理是将其变成交流电后再升压。而法拉第的交流电就完美地解决了这个问题,交流电升压降压非常方便,设备造价低、效率非常高(达90%以上),加之其发明的同步交流发电机,造价低效率高,最终赢得了电力之战的胜利。
19世纪80年代首先成功地实现了直流输电。但由于直流输电的电压在当时技术条件下难于继续提高,以致输电能力和效益受到限制。19世纪末,直流输电逐步为交流输电所代替。交流输电的成功,迎来了20世纪电气化社会的新时代。
二、 高压交流输电阶段
1888年,则费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站,在这里降为2500V,再分送到各街区的二级变压器,降为100V供用户照明。
配电网的电能损失,包括配电线路和配电变压器损失,距离越远损耗越大,于是高压交流输电成为主流,随着传输距离的增加,以及对传输效率的不懈追求,输电电压越来越高,现有高压输电包括:高压(10KV-220KV)、超高压330KV-750KV、特高压1000KV。
交流输电的核心:变压器
随着输电电压越高,输电架空线的建设,对所用各种材料的要求愈严格,线路的造价就越高,交流输电线路的缺点也越来越明显:
1、存在电容电流损耗:交流电相位变换,等效为电容的充放电,产生电能损耗。2、交流高压线线路走廊宽:保证不发生隔空放电,线路需要和周围物体隔开距离较大。3、对通讯干扰大:交流电的电磁感应对无线通信干扰比较大。4、电网互联困难:因为存在相位差,两个不同电网不能直接互联。
三、高压直流输电阶段
因为高压交流输电存在的这些固有弊端,在高压直流输电却能很好地避免,因此高压直流输电开始兴起,真是风水轮流转,三十年河东,三十年河西,如果爱迪生知道是不是很解气。
直流高压输电的功率和能量损耗比交流高压输电更小,输电效率更高,对通信干扰小、线路造价低(交流电一般是三相三线、直流只需要两相两线)。
直流输电采用两线制,在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下,即使不考虑趋肤效应,也可以输送相同的电功率,而输电线和绝缘材料可节约1/3。
直流架空线路杆塔结构较简单,线路走廊窄,同绝缘水平的电缆可以运行于较高的电压,更适合于海底输电、地下电缆输电。
直流输电没有相位差,直流输电更易于分布式发电的并网运行、直流输电适合两个电力系统的互联,适合风力、太阳能等新能源电力系统并网。
四、柔性高压直流输电
1990年由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等人联合提出柔性直流输电理论,作为一种新兴的直流输电技术,柔性直流输电不需要交流侧电压的支撑,对电网建设节约化、设备智能化的发展非常有利。
柔性直流和常规直流相比,其最大的优势在于:
1、可控性更强,可关断器件更便于控制,无需交流侧提供换相电流。2、交流侧无需大量无功支撑,占地面积较小。3、无换相失败,可向孤岛供电。4、频次较高,仅需少容量高次滤波器。
柔性直流输电逐步在全球获得广泛的应用,我国在这一领域已经处于领先地位。
2014年2月21日,国产单根电压等级最高、长度最长的直流海缆在舟山敷设入海,这标志着世界首个五端柔性直流输电示范工程进入后期攻坚阶段。2014年7月4日,在圆满完成168小时试运行后,世界首个五端柔性直流输电工程——浙江舟山±200千伏五端柔性直流工程正式投入运营,标志着我国站上了世界柔性直流输电领域的制高点。2015年11月11日,福建厦门柔性直流输变电工程圆满完成单极线路空载升压试验,标志着世界首条±320千伏柔性直流电缆首次耐受额定电压试验取得成功。2015年12月17日,世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程——厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程正式投运。